孫少辰 丁信偉 張志毅 劉 鐸 劉 剛

(1.沈陽(yáng)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院；2.大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院)

爆破片的泄放能力是選擇爆破片時(shí)必須確定的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，無論國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)還是國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，都利用漸縮噴管模型計(jì)算爆破片的泄放能力?？紤]到工程實(shí)際條件，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)公式的使用范圍做出了限定。然而在實(shí)際應(yīng)用中這些限定條件很難滿足，以致假設(shè)的減縮噴管模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際泄放量存在一定的偏差。如果爆破片選型不當(dāng)，系統(tǒng)一旦超壓將會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。

1 爆破片裝置標(biāo)準(zhǔn)體系

國(guó)外通用爆破片標(biāo)準(zhǔn)主要有：ISO 4126 Part2、Part3、Part6[1～3]；美國(guó)的API 520及其補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)API 521[4，5]、ASME BPVC VIII Division 1[6]；法國(guó)NF E29-417-2-2003、NF E29-417-3-2006、NF E29-417-6-2004和NF E29-413-1989；德國(guó)的DIN EN ISO 4126-2-2003、DIN EN ISO 4126-3-2006和DIN EN ISO 4126-6-2004；日本的JISB 8226及英國(guó)的BS 2915等。

歐洲國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)體系一般都是直接引用ISO 4126的內(nèi)容，說明ISO 4126系列標(biāo)準(zhǔn)代表了國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)水平。ISO 4126是在世界各國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上，經(jīng)各會(huì)員國(guó)之間的激烈爭(zhēng)議與反復(fù)討論之后所取得的妥協(xié)之作[1～3]。它對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家而言，實(shí)際上是一個(gè)最低標(biāo)準(zhǔn)(即應(yīng)該執(zhí)行的最低要求)。

在美國(guó)，API 520是與IS0 4126并列的完整標(biāo)準(zhǔn)系列[4]，其對(duì)爆破片的規(guī)定基本與IS0 4126類似；API 520 Part I對(duì)應(yīng)ISO 4126-2，PartⅡ?qū)?yīng)ISO 4126-6。目前最新的API 521是對(duì)API 520的補(bǔ)充和細(xì)化[5]。雖然API與ISO標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容基本一致，但體系風(fēng)格完全不同。API標(biāo)準(zhǔn)沒有按不同泄放裝置類型分別制訂相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，而是將所有泄放裝置集中在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中。因此，將API 520作為爆破片的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的參考體系并不適合。

ASME BPVC VIII Division 1[6]制訂的有關(guān)泄壓裝置與相關(guān)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)歷史悠久、獨(dú)具一格，具有特殊的權(quán)威性。大型移動(dòng)容器(槽罐車等)所用的安全泄壓裝置技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，則依美國(guó)運(yùn)輸協(xié)會(huì)制訂的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)泄放量計(jì)算公式的制約因素

國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)都包含爆破片泄放量的計(jì)算公式，其分類如圖1所示。實(shí)際應(yīng)用中，一般采用排量系數(shù)法計(jì)算爆破片裝置的泄放量。排量系數(shù)法計(jì)算公式是從能量和質(zhì)量方程的基本理論出發(fā)，基于拉夫爾噴管等熵流動(dòng)過程理論推導(dǎo)得出的。但在以下因素的影響下，此類公式的計(jì)算結(jié)果就不精確。

圖1 泄放量計(jì)算公式分類

2.1 背壓影響

在實(shí)際泄放過程中，爆破片既可以敞開式排放(即向大氣泄放)，也可以排放在密閉容器或回收系統(tǒng)中。向大氣排放時(shí)，爆破片完全暴露在室外環(huán)境中。在臨界條件下，背壓不會(huì)對(duì)泄放量產(chǎn)生影響；在亞臨界條件下，隨背壓的增大，泄放量也按一定比例減少；當(dāng)背壓和排放壓力相等時(shí)，泄放量為零。因此當(dāng)背壓很大或者持續(xù)在背壓環(huán)境下時(shí)，公式就不再適用。

在泄放過程中可能存在可燃性、含硫化物、有毒和含放射性物質(zhì)的氣體。一旦這些氣體隨著廢氣排放擴(kuò)散到空氣中，被人吸入體內(nèi)時(shí)會(huì)對(duì)人的健康構(gòu)成威脅，因此必須選擇適當(dāng)?shù)呐欧呕厥障到y(tǒng)。但回收系統(tǒng)中容器接管和排放管路長(zhǎng)度會(huì)影響流動(dòng)狀態(tài)，排放時(shí)，氣體在容器接管中流動(dòng)產(chǎn)生的阻力降會(huì)使爆破片入口側(cè)壓力降低，而在排放接管中的阻力降會(huì)使爆破片出口側(cè)背壓升高，而爆破片出口側(cè)與入口側(cè)的壓力比決定了該處的流動(dòng)狀態(tài)。增加容器接管和排放接管的長(zhǎng)度，會(huì)使壓力降增大，從而使爆破片出口側(cè)與入口側(cè)的壓力比值增大，可能會(huì)改變泄放氣體在該處的流動(dòng)狀態(tài)，將原來處于臨界或超臨界的流動(dòng)變成亞臨界的流動(dòng)，使實(shí)際流量小于計(jì)算流量。

2.2 化學(xué)反應(yīng)超壓

物理超壓過程比較簡(jiǎn)單，其安全泄放量的計(jì)算己形成標(biāo)準(zhǔn)；而化學(xué)超壓工況下的泄放機(jī)理比較復(fù)雜，涉及因素比較多，目前國(guó)內(nèi)、外均無成熟的設(shè)計(jì)、計(jì)算方法。要掌握化學(xué)超壓工況下各個(gè)影響因素及其相互間的依存關(guān)系，需要做大量的試驗(yàn)。

化學(xué)反應(yīng)超壓有關(guān)泄放的研究還沒有形成一致的結(jié)論，目前可用于這方面的數(shù)據(jù)較少，大部分?jǐn)?shù)據(jù)是在初始狀態(tài)為常溫、常壓下得到的。通常在小容器內(nèi)一系列爆炸泄放實(shí)驗(yàn)，獲得不同泄放面積或泄爆壓力下設(shè)備內(nèi)最大壓力與泄放面積、泄爆壓力之間的關(guān)系曲線，然后將這種關(guān)系換算為最大壓力與某種準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系，以便計(jì)算大容器安全泄放量。一旦發(fā)生由化學(xué)反應(yīng)引起的超壓情形，爆破片裝置很有可能失效，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障。但各個(gè)爆破片標(biāo)準(zhǔn)中至今還沒有提出相應(yīng)的計(jì)算方法。

國(guó)外對(duì)確定化學(xué)反應(yīng)的應(yīng)急系統(tǒng)泄放尺寸一般采用由DIERS方法確定。DIERS方法屬于均相泄放模型，適用于閃蒸和非閃蒸系統(tǒng)，而且極端情況下可簡(jiǎn)化成氣體和液體泄放。為了簡(jiǎn)化研究過程，假設(shè)容器內(nèi)的液體和蒸氣均勻混合成泡沫狀，且泄放前、后其組成是固定的。

DIERS方法設(shè)計(jì)步驟：確定反應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本不正常狀態(tài)，一般包括混合故障、冷卻故障和反應(yīng)物失控；通過小型試驗(yàn)?zāi)M設(shè)計(jì)基本不正常狀態(tài)，確定反應(yīng)系統(tǒng)表征；使用兩相放空流體的放空計(jì)算公式確定尺寸。

2.3 實(shí)際泄放與理想泄放的差異

公式推導(dǎo)的前提條件為理想氣體等熵運(yùn)動(dòng)，忽略了氣體分子間的作用力和氣體分子所占據(jù)的體積。實(shí)際氣體只有在高溫低壓狀態(tài)下，其性質(zhì)和理想氣體性質(zhì)相近。實(shí)際氣體是否能作為理想氣體處理，不僅與氣體的種類有關(guān)，而且與氣體所處狀態(tài)有關(guān)。由于理想狀態(tài)方程不能準(zhǔn)確地反映實(shí)際氣體P、V、T之間的關(guān)系，所以必須對(duì)其進(jìn)行修正和改進(jìn)，比如可以采用范德瓦爾氣體方程來替代理想狀態(tài)氣體方程[7]。

2.4 變質(zhì)量泄放過程

爆破片泄放時(shí)，容器內(nèi)壓力驟然減小，液體可能會(huì)發(fā)生閃蒸現(xiàn)象產(chǎn)生氣體。因此，液體的泄放常常是氣、液兩相同時(shí)泄放。氣相的存在使泄放流體質(zhì)量流量降低，如果按照純液相物質(zhì)泄放考慮，會(huì)使泄放面積的計(jì)算結(jié)果偏??；如果考慮氣相的存在，兩相流泄放過程要復(fù)雜一些[7]。

在實(shí)際泄放過程中，大部分工質(zhì)處于氣液兩相的狀態(tài)。兩相流由于各相具有不同的物理、化學(xué)性質(zhì)，相間存在分界面，且分界面隨著流動(dòng)不斷隨機(jī)變化。兩相介質(zhì)流動(dòng)過程中，介質(zhì)除與管壁存在作用力外，兩相間也存在作用力和能量交換。兩相流動(dòng)具有隨機(jī)性，氣、液相形狀和分布具有多變性，即使在穩(wěn)定流動(dòng)工況下，某一過流斷面或管段上，其流動(dòng)特性隨時(shí)間不斷波動(dòng)變化。綜上所述，爆破片泄放過程是變質(zhì)量過程。

2.5 超音速泄放產(chǎn)生激波現(xiàn)象

在超壓泄放過程中，由于排放管路安裝方式及容器內(nèi)化學(xué)反應(yīng)過于強(qiáng)烈等原因，可能導(dǎo)致產(chǎn)生既不屬于臨界泄放、也不屬于亞臨界泄放的超音速泄放極端情況。 當(dāng)氣體超音速繞物體流動(dòng)時(shí)，在物體前會(huì)形成一道突躍的壓縮波。氣流通過這道壓縮波時(shí)，其壓強(qiáng)、密度和溫度突然上升，流速或馬赫數(shù)相應(yīng)地下降，即氣流受到突然的壓縮形成一種強(qiáng)擾動(dòng)的激波。氣流通過強(qiáng)擾動(dòng)波的過程是一個(gè)熵增過程，壓強(qiáng)是變化的，這并不符合標(biāo)準(zhǔn)中泄放量公式的假設(shè)條件。

理想氣體的激波沒有厚度，是數(shù)學(xué)意義的不連續(xù)面。實(shí)際氣體的粘性和傳熱性使激波成為連續(xù)式，并具有厚度，但數(shù)值十分微小，只是氣體分子自由程的幾倍，波前的相對(duì)超音速馬赫數(shù)越大，厚度值越小。在激波內(nèi)部由于氣體與氣體之間存在摩擦，致使一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽虼思げǖ某霈F(xiàn)意味著機(jī)械能的損失和波阻力的產(chǎn)生，即產(chǎn)生能量耗散效應(yīng)。超音速泄放時(shí)，聲波疊加累積會(huì)對(duì)介質(zhì)的加速產(chǎn)生障礙，阻礙介質(zhì)的泄放，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的壓力不能及時(shí)泄放，縮短爆破片的使用壽命。

2.6 塑性變形產(chǎn)生熱量

一般情形下，正拱型爆破片的極限強(qiáng)度(爆破壓力)主要取決于材料的抗拉強(qiáng)度，而反拱型爆破片的極限強(qiáng)度(失穩(wěn)壓力)主要取決于材料的彈性模量。爆破片發(fā)生破裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形。低應(yīng)變率下的塑性變形通?？烧J(rèn)為是等溫過程(每秒應(yīng)變速率為10-4～10-3時(shí)，并沒有表現(xiàn)出明顯的溫升現(xiàn)象)。若在高應(yīng)變率下進(jìn)行測(cè)試，超壓泄放過程中爆破片處于失穩(wěn)狀態(tài)，產(chǎn)生較大的塑性變形。根據(jù)能量守恒定律，大部分塑性功會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，熱能一部分使裝置溫度升高，另外一部分散失到空氣中和材料其他部位。雖然產(chǎn)生的熱能很小，但會(huì)影響爆破片的爆破壓力和裝置的泄放量。國(guó)外一些學(xué)者對(duì)塑性功向熱能轉(zhuǎn)化率β進(jìn)行了研究[8～11]，當(dāng)每秒應(yīng)變速率大于100時(shí)，β值約為0.95；當(dāng)每秒應(yīng)變速率小于10 時(shí)，β值較低；在更低的應(yīng)變速率下，β值接近于0。

溫度的升高使材料的晶界由硬、脆轉(zhuǎn)變?yōu)檐洝⑷?，?dǎo)致其抗力降低，這是因?yàn)榫Ы缭拥呐帕惺遣灰?guī)則的。原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，原子的移動(dòng)和擴(kuò)散易于進(jìn)行。當(dāng)溫度較高時(shí)，晶界強(qiáng)度比晶粒本身的強(qiáng)度下降得快。因此爆破片裝置的強(qiáng)度隨著溫度的升高而逐漸降低，導(dǎo)致實(shí)際泄放量與公式計(jì)算結(jié)果存在一定的偏差。

2.7 排放系統(tǒng)影響

大多數(shù)化工廠采用排放系統(tǒng)對(duì)超壓泄放出的介質(zhì)進(jìn)行處理或二次回收利用。排放處理系統(tǒng)一般由管路和容器組成，所有部件的尺寸及壓力等級(jí)等都應(yīng)滿足作業(yè)條件。

因此，從爆破片裝置排出的流體可能會(huì)引起排出管的溫度變化。此外，長(zhǎng)時(shí)間的陽(yáng)光照射或鄰近設(shè)備熱輻射也會(huì)使其溫度發(fā)生變化。排出管的溫度變化會(huì)引起其長(zhǎng)度變化，從而產(chǎn)生應(yīng)力。排放系統(tǒng)所受主要應(yīng)力是由冷或熱物質(zhì)進(jìn)入管線時(shí)產(chǎn)生膨脹或收縮和排放流體造成的沖擊引起的。沖擊載荷可能是由于介質(zhì)突然流入管路系統(tǒng)或由于在變向點(diǎn)產(chǎn)生沖擊而引起的。由于上述原因，排放系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生分布不均勻的反作用應(yīng)力，改變了爆破片裝置的力學(xué)性能和應(yīng)力狀態(tài)，使裝置受到非均勻載荷的擠壓作用，阻礙了泄放過程的正常進(jìn)行。目前爆破片標(biāo)準(zhǔn)中的泄放量計(jì)算多是針對(duì)均勻分布?jí)簭?qiáng)而言，并不適用于非均勻外載的情形。

綜上所述，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)泄放量公式的推導(dǎo)過程僅從裝置本身出發(fā)，考慮的因素并不全面。

3 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)外通用爆破片標(biāo)準(zhǔn)和泄放量公式，在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用排量系數(shù)法計(jì)算爆破片裝置的泄放量，但由于背壓、化學(xué)反應(yīng)超壓、實(shí)際泄放與理想泄放的差異、變質(zhì)量泄放及超音速泄放等的影響，使公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際泄放量存在差異。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 567.4對(duì)爆破片的性能檢測(cè)項(xiàng)目在原有的爆破壓力試驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加了泄放量試驗(yàn)、流阻試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和測(cè)量不確定度分析，系統(tǒng)地考慮爆破片裝置的排量計(jì)算，為完善公式提供必要補(bǔ)充。

[1] ISO 4126-2，Safety Devices for Protection against Excessive Pressure-Part 2：Bursting Disc Safety Devices[S].Switzerland：International Organization for Standardization，2003.

[2] ISO4126-3，Safety Devices for Protection against Excessive Pressure-Part 3：Safety Valves and Bursting Disc Safety Devices in Combination[S].Switzerland：International Organization for Standardization，2006.

[3] ISO4126-6，Safety Devices for Protection against Excessive Pressure-Part 6：Application，Selection and Installation of Bursting Disc Safety Devices[S]. Switzerland：International Organization for Standardization，2003.

[4] API Standard 520，Sizing，Selection，and Installation of Pressure-relieving Devices[S]. Washington：American Petroleum Institute，2014.

[5] API Standard 521，Pressure-relieving and Depressuring Systems[S].Washington：American Petroleum Institute，2014.

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